Atteignant une efficacité de 98 % à l’état solide et de 94 % en solution, la conception de la petite molécule fluorescente pourrait réduire les délais et les coûts de développement pour les applications futures.
Une nouvelle molécule fluorescente bleue a établi de nouveaux records d’efficacité d’émission à l’état solide et liquide, selon une étude menée par l’université du Michigan qui pourrait ouvrir la voie à des applications dans les domaines de la technologie et de la médecine.
Capables d’absorber la lumière et de la réémettre à des niveaux d’énergie plus faibles, les molécules fluorescentes appelées fluorophores brillent dans les écrans OLED et aident les médecins et les scientifiques à comprendre ce qui se passe dans les cellules et les tissus. Elles doivent être solides dans les écrans et de nombreuses applications de détection, mais les liquides sont généralement préférés pour les utilisations biologiques. La plupart des fluorophores ne fonctionnent pas bien sous ces deux formes, mais celui-ci le fait.
« Le matériau fluorescent a atteint une luminosité et une efficacité record avec un rendement quantique de 98 % à l’état solide et de 94 % en solution », a déclaré Jinsang Kim, professeur de sciences et d’ingénierie à la chaire Raoul Kopelman du département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’université du Michigan, qui a dirigé l’étude publiée dans Nature Communications.
Souvent, les ingénieurs qui conçoivent des fluorophores commencent par explorer les propriétés optiques des molécules individuelles en solution, mais se heurtent à des problèmes dans leurs applications à l’état solide lorsque les molécules de fluorophore entrent en contact les unes avec les autres.
« Les fluorophores se comportent très différemment à l’état solide, ce qui nécessite alors un effort d’ingénierie moléculaire plus rationnel pour la modification structurelle », a déclaré M. Kim. « En étudiant et en établissant un principe de conception moléculaire permettant de fabriquer des fluorophores qui sont brillants à la fois en solution et à l’état solide, nous avons réduit le temps et le coût de développement pour diverses applications futures. »
La découverte initiale du fluorophore polyvalent, appelé TGlu en abrégé, était inattendue pour l’auteur principal Jung-Moo Heo, chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux à l’université du Michigan.
« Le TGlu était une étape intermédiaire pour une autre conception chimique, mais pendant la purification, j’ai découvert qu’il était étonnamment très émissif, non seulement en solution, mais aussi à l’état solide », explique M. Heo.
Cette découverte a conduit à une étude systématique visant à établir la conception optimale. Le résultat a été une conception simple : un noyau à cycle benzénique unique, composé de six atomes de carbone reliés en hexagone. Les chercheurs ont positionné deux groupes qui cèdent des électrons, appelés groupes donneurs, de part et d’autre du cycle. À côté des donneurs, ils ont placé deux groupes accepteurs, qui retirent des électrons, de part et d’autre du cycle.
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« Cette structure dite quadripolaire répartit symétriquement la charge à travers la molécule, assurant une émission stable dans divers environnements », a ajouté M. Heo.
Comme le cycle ne comporte que six points, les groupes donneurs et accepteurs sont placés l’un à côté de l’autre. Cette disposition spatiale réduit l’écart énergétique par rapport à d’autres molécules similaires dans une structure compacte, ce qui signifie que le fluorophore a besoin d’une quantité d’énergie relativement faible pour faire passer un électron de l’état fondamental à l’état excité, comme si l’on sautait d’un échelon à l’autre sur une échelle.
Cependant, la petite taille de la molécule signifie que la longueur totale de conjugaison reste limitée, ce qui empêche les électrons de se disperser trop loin dans la molécule. Cela maintient l’écart énergétique absolu (la distance entre les échelons de l’échelle) suffisamment large pour émettre une lumière bleue au lieu de passer à des couleurs à écart énergétique plus étroit, comme le rouge.
En général, les petits écarts de bande présentent un inconvénient en termes d’efficacité. Lorsqu’il se trouve à l’état excité sur l’échelon supérieur de l’échelle, un électron peut soit émettre de la lumière lorsqu’il redescend à l’état fondamental, soit perdre de l’énergie sous forme de chaleur par vibration. Souvent, les petits écarts de bande entraînent une perte de chaleur plus importante, ce qui réduit le rendement quantique, une mesure d’efficacité exprimée en pourcentage de lumière UV absorbée qui est réémise sous forme de lumière visible par rapport à la quantité perdue sous forme de chaleur.
Après avoir essayé une série de groupes accepteurs, les chercheurs en ont trouvé un qui stabilise l’état excité. Même avec un faible écart de bande, ce groupe accepteur empêche la perte de chaleur en limitant l’accès à ce que l’on appelle les intersections coniques, qui fonctionnent comme des « portes de sortie » pour les fuites d’énergie. Ce comportement inattendu, appelé loi de l’écart d’énergie inversé, a été confirmé à la fois par des expériences et des simulations de chimie quantique.
À l’état solide, les groupes accepteurs, qui ont été intentionnellement conçus pour être volumineux, empêchent les molécules de se rapprocher trop les unes des autres, ce qui provoque une perte de luminosité des fluorophores, l’énergie s’échappant sous forme de chaleur plutôt que de lumière, un phénomène connu sous le nom d’extinction.
Ce fluorophore petit et très efficace est simple à produire (il ne nécessite que trois étapes), ce qui augmente sa scalabilité tout en réduisant les coûts de production.
La conception actuelle du TGlu émet une lumière bleue. Les prochaines étapes consisteront pour les chercheurs à ajuster la bande interdite, et donc la couleur. En outre, si le rendement quantique élevé obtenu par excitation lumineuse est prometteur, les performances du dispositif sous excitation électrique nécessitent des tests séparés en raison de mécanismes de perte supplémentaires. M. Heo prévoit également de travailler à la mise au point d’une version phosphorescente de la molécule, car les phosphores sont globalement plus efficaces sur le plan énergétique que les fluorophores, en vue d’une utilisation dans les technologies d’affichage.
Article : « Elucidating the molecular structural origin of efficient emission across solid and solution phases of single benzene fluorophores » – DOI: 10.1038/s41467-025-60316-0
